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2026-07-26T16:55:19Z

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= Der Atomkern - Chemie =

{{BR}}
= Einleitung =

Der '''Atomkern''' ist das sehr kleine Zentrum eines [[Atom|Atoms]]. Er enthält fast die gesamte Masse des Atoms. Im Kern befinden sich '''Protonen''' und meistens auch '''Neutronen'''. Zusammen heißen diese Teilchen [[Nukleon|Nukleonen]].

Für die [[Chemie]] ist der Atomkern besonders wichtig, weil die Anzahl der Protonen festlegt, zu welchem [[Chemisches Element|chemischen Element]] ein Atom gehört. Die Zahl der Neutronen bestimmt mit, welches [[Isotop]] eines Elements vorliegt.

In diesem aiMOOC lernst Du:

# [[Proton]] und [[Neutron]] zu unterscheiden.
# [[Ordnungszahl]] und [[Massenzahl]] zu deuten.
# die Zahl der Neutronen zu berechnen.
# [[Isotop|Isotope]] zu erkennen.
# die Bedeutung des [[Rutherfordscher Streuversuch|Rutherfordschen Streuversuchs]] zu erklären.
# Zusammenhänge zwischen Atomkern, [[Periodensystem]] und chemischen Elementen herzustellen.

[[Datei:Helium atom QMuniv.svg|500px|rahmenlos|center]]

Die Abbildung zeigt ein Heliumatom. Der Atomkern ist stark vergrößert dargestellt. Die dunkle Wolke beschreibt den Aufenthaltsbereich der Elektronen.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=7kuUxo1xlw0 |500|center}}

{{BR}}
= Aufbau eines Atoms =

Ein Atom besteht aus zwei Bereichen:

# [[Atomkern]]: Er enthält Protonen und Neutronen.
# [[Atomhülle]]: In ihr befinden sich die Elektronen.

Der Kern ist im Vergleich zum gesamten Atom winzig. Ein Atom besitzt typischerweise eine Größe von ungefähr <math>10^{-10}\,\mathrm{m}</math>. Die Größe eines Atomkerns liegt ungefähr im Bereich von <math>10^{-15}</math> bis <math>10^{-14}\,\mathrm{m}</math>. Trotzdem befindet sich fast die gesamte Masse des Atoms im Kern.

[[Datei:Atom Diagram.svg|450px|rahmenlos|center]]

'''Wichtig:''' Solche Darstellungen sind vereinfachte Modelle. Elektronen bewegen sich nicht wie Planeten auf festen Kreisbahnen. In der Chemie helfen Modelle trotzdem dabei, den Aufbau eines Atoms übersichtlich zu beschreiben.

{{BR}}
== Protonen, Neutronen und Elektronen ==

{| class="wikitable" style="margin:auto"
! Teilchen
! Ort
! Elektrische Ladung
! Relative Masse
|-
| [[Proton]]
| Atomkern
| positiv
| ungefähr 1
|-
| [[Neutron]]
| Atomkern
| neutral
| ungefähr 1
|-
| [[Elektron]]
| Atomhülle
| negativ
| ungefähr <math>\frac{1}{1836}</math>
|}

Protonen und Neutronen besitzen fast die gleiche Masse. Elektronen sind sehr viel leichter. Deshalb kann man bei einfachen chemischen Betrachtungen sagen: '''Die Masse des Atoms steckt fast vollständig im Kern.'''

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== Die Kernladung ==

Jedes Proton trägt eine positive Elementarladung. Neutronen sind elektrisch neutral. Die positive Ladung des Atomkerns hängt deshalb nur von der Anzahl der Protonen ab.

Ein Kern mit sechs Protonen besitzt die Kernladung <math>+6e</math>. Dabei steht <math>e</math> für die [[Elementarladung]].

In einem elektrisch neutralen Atom ist die Zahl der Elektronen genauso groß wie die Zahl der Protonen. Dadurch gleichen sich positive und negative Ladungen aus.

{{BR}}
= Ordnungszahl und Massenzahl =

{{BR}}
== Die Ordnungszahl ==

Die '''Ordnungszahl''' wird mit <math>Z</math> bezeichnet. Sie gibt die Anzahl der Protonen im Atomkern an.

<math>Z=\text{Anzahl der Protonen}</math>

Die Protonenzahl bestimmt das Element:

# Ein Proton bedeutet [[Wasserstoff]].
# Sechs Protonen bedeuten [[Kohlenstoff]].
# Acht Protonen bedeuten [[Sauerstoff]].
# Elf Protonen bedeuten [[Natrium]].

Ändert sich die Protonenzahl, entsteht ein anderes Element. Deshalb ist die Ordnungszahl die eindeutige Kennzahl eines chemischen Elements.

{{BR}}
== Die Massenzahl ==

Die '''Massenzahl''' wird mit <math>A</math> bezeichnet. Sie ist die Summe aus Protonen und Neutronen.

<math>A=Z+N</math>

Dabei bedeutet:

# <math>A</math>: Massenzahl
# <math>Z</math>: Protonenzahl
# <math>N</math>: Neutronenzahl

Die Neutronenzahl lässt sich berechnen:

<math>N=A-Z</math>

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== Die Nuklidschreibweise ==

Ein bestimmter Atomkern kann so geschrieben werden:

<math>{}^{A}_{Z}\mathrm{X}</math>

Dabei steht <math>\mathrm{X}</math> für das Elementsymbol.

Beispiel Natrium-23:

<math>{}^{23}_{11}\mathrm{Na}</math>

Der Kern enthält:

# 11 Protonen, weil <math>Z=11</math> ist.
# 12 Neutronen, weil <math>23-11=12</math> ist.
# insgesamt 23 Nukleonen.

Ein neutrales Natriumatom besitzt außerdem 11 Elektronen.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=ArQg10JHyQw |500|center}}

{{BR}}
= Isotope =

'''Isotope''' sind Atome desselben Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Sie haben deshalb dieselbe Ordnungszahl, jedoch verschiedene Massenzahlen.

Ein wichtiges Beispiel sind die Wasserstoffisotope:

# [[Protium]] besitzt ein Proton und kein Neutron.
# [[Deuterium]] besitzt ein Proton und ein Neutron.
# [[Tritium]] besitzt ein Proton und zwei Neutronen.

[[Datei:Hydrogen-isotopes.svg|600px|rahmenlos|center]]

Da Isotope eines Elements die gleiche Protonenzahl besitzen, haben neutrale Atome dieser Isotope auch die gleiche Elektronenzahl. Ihre chemischen Eigenschaften sind deshalb meist sehr ähnlich. Unterschiede können besonders bei leichten Elementen messbar sein.

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== Nuklid und Isotop ==

Ein '''Nuklid''' ist eine Atomart mit einer genau festgelegten Protonen- und Neutronenzahl. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 sind zwei verschiedene Nuklide.

Der Begriff '''Isotop''' beschreibt die Beziehung mehrerer Nuklide desselben Elements. Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14 sind Isotope des Elements Kohlenstoff.

{{BR}}
== Die Atommasse im Periodensystem ==

Im [[Periodensystem]] steht meistens keine ganze Massenzahl, sondern eine mittlere relative Atommasse. Sie berücksichtigt die Massen und natürlichen Häufigkeiten der Isotope eines Elements.

Chlor besitzt zum Beispiel eine mittlere Atommasse von ungefähr 35,45. Dieser Wert entsteht, weil natürliches Chlor vor allem aus Chlor-35 und Chlor-37 besteht. Die Zahl 35,45 beschreibt deshalb kein einzelnes Atom und keine einzelne Massenzahl.

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== Nuklidkarte ==

Eine [[Nuklidkarte]] ordnet Atomkerne nach ihrer Protonen- und Neutronenzahl. Sie zeigt stabile und instabile Nuklide. Bei leichten stabilen Kernen sind Protonen- und Neutronenzahl oft ähnlich. Schwere stabile Kerne benötigen meist mehr Neutronen als Protonen.

[[Datei:Table of nuclides (mul).svg|700px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
= Wie wurde der Atomkern entdeckt? =

Vor der Entdeckung des Atomkerns nahm man an, die positive Ladung sei gleichmäßig im Atom verteilt. Diese Vorstellung wurde durch den [[Rutherfordscher Streuversuch|Rutherfordschen Streuversuch]] widerlegt.

Hans Geiger und Ernest Marsden schossen positiv geladene Alphateilchen auf eine sehr dünne Goldfolie. Die meisten Teilchen flogen fast gerade durch die Folie. Einige wurden abgelenkt. Sehr wenige wurden stark abgelenkt oder sogar zurückgestreut.

[[Datei:Geiger-Marsden experiment expectation and result (German) v1.1.svg|600px|rahmenlos|center]]

Aus den Beobachtungen folgerte [[Ernest Rutherford]]:

# Ein Atom besteht größtenteils aus leerem Raum.
# Die positive Ladung ist in einem sehr kleinen Bereich konzentriert.
# Fast die gesamte Masse befindet sich in diesem kleinen Zentrum.
# Dieses Zentrum ist der Atomkern.

{{#ev:youtube| https://www.youtube.com/watch?v=zeBywJUkepk |500|center}}

{{BR}}
== Vom Kern-Hülle-Modell zum modernen Atommodell ==

Rutherfords [[Kern-Hülle-Modell]] war ein entscheidender Fortschritt. Es erklärte die Ergebnisse des Streuversuchs. Spätere Modelle beschrieben genauer, wie sich Elektronen in der Atomhülle verhalten.

Das heutige quantenmechanische Atommodell arbeitet mit [[Orbital|Orbitalen]] und Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Für viele Aufgaben in der Schulchemie reichen jedoch Kern-Hülle-Modell und Schalenmodell als vereinfachte Vorstellungen aus.

[[Datei:Rutherford atomic planetary model.svg|450px|rahmenlos|center]]

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= Kräfte im Atomkern =

Protonen sind positiv geladen und stoßen sich deshalb elektrisch ab. Trotzdem bleiben Protonen und Neutronen im Kern zusammen. Verantwortlich ist die '''starke Kernkraft'''.

Die starke Kernkraft:

# wirkt nur über sehr kurze Entfernungen.
# wirkt zwischen Nukleonen.
# ist im Kern stärker als die elektrische Abstoßung der Protonen.
# trägt zur Bindung des Atomkerns bei.

Nicht jede Kombination aus Protonen und Neutronen ist stabil. Instabile Atomkerne können sich spontan umwandeln. Dieser Vorgang heißt [[Radioaktivität|radioaktiver Zerfall]].

[[Datei:Binding energy curve - common isotopes.svg|600px|rahmenlos|center]]

Die Bindungsenergie pro Nukleon ist ein Maß dafür, wie fest ein Kern gebunden ist. Für den Einstieg genügt der Merksatz: '''Stabile Kerne besitzen eine günstige Zusammensetzung aus Protonen und Neutronen.'''

{{BR}}
== Blick in ein Proton ==

Protonen und Neutronen sind nicht elementar. Sie bestehen aus [[Quark|Quarks]], die durch die starke Wechselwirkung gebunden werden. Dieses Wissen gehört bereits zur Teilchenphysik und geht über die grundlegende Schulchemie hinaus.

[[Datei:Quark structure proton.svg|450px|rahmenlos|center]]

{{BR}}
= Bedeutung des Atomkerns für die Chemie =

Der Atomkern beeinflusst mehrere wichtige Bereiche der Chemie:

# [[Periodensystem]]: Die Protonenzahl bestimmt die Position eines Elements.
# [[Isotop]]: Unterschiedliche Neutronenzahlen führen zu verschiedenen Isotopen.
# [[Atommasse]]: Die Isotopenhäufigkeiten bestimmen die mittlere Atommasse.
# [[Analytische Chemie]]: Isotope können Stoffwege sichtbar machen.
# [[Radiochemie]]: Instabile Kerne werden bei Zerfällen und Kernreaktionen untersucht.

Isotope werden unter anderem in Medizin, Forschung, Archäologie und Umweltwissenschaften eingesetzt. Bei solchen Anwendungen müssen Strahlenschutz und fachgerechter Umgang beachtet werden.

{{BR}}
= Zusammenfassung =

'''Merke:'''

# Der Atomkern enthält Protonen und Neutronen.
# Protonen bestimmen das chemische Element.
# Die Ordnungszahl ist die Protonenzahl.
# Die Massenzahl ist die Summe aus Protonen und Neutronen.
# Isotope besitzen gleich viele Protonen, aber unterschiedlich viele Neutronen.
# Fast die gesamte Masse eines Atoms befindet sich im Kern.
# Der Rutherfordsche Streuversuch lieferte den Nachweis eines kleinen, positiv geladenen Atomkerns.

{{BR}}
= Interaktive Aufgaben =

{{BR}}
== Quiz: Teste Dein Wissen ==

{{MC}}

'''Welche Teilchen befinden sich im Atomkern?'''
(Protonen und Neutronen)
(!Protonen und Elektronen)
(!Neutronen und Elektronen)
(!Nur Elektronen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Größe bestimmt, zu welchem Element ein Atom gehört?'''
(Die Protonenzahl)
(!Die Neutronenzahl)
(!Die Zahl der Schalen)
(!Die Massenzahl allein)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was gibt die Ordnungszahl an?'''
(Die Anzahl der Protonen)
(!Die Anzahl der Neutronen)
(!Die Summe aller Teilchen)
(!Die Anzahl der Isotope)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wie wird die Massenzahl berechnet?'''
(Protonenzahl plus Neutronenzahl)
(!Protonenzahl minus Neutronenzahl)
(!Elektronenzahl plus Neutronenzahl)
(!Protonenzahl mal Elektronenzahl)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was unterscheidet zwei Isotope desselben Elements?'''
(Die Anzahl der Neutronen)
(!Die Anzahl der Protonen)
(!Das Elementsymbol)
(!Die Kernladung)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Ein Kern hat die Massenzahl 23 und die Ordnungszahl 11. Wie viele Neutronen besitzt er?'''
(12)
(!11)
(!23)
(!34)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche Beobachtung beim Rutherford-Versuch sprach für einen kleinen Atomkern?'''
(Einige Alphateilchen wurden stark abgelenkt)
(!Alle Alphateilchen blieben in der Folie)
(!Alle Alphateilchen wurden gleich stark abgelenkt)
(!Die Goldfolie begann zu leuchten)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Wo befindet sich fast die gesamte Masse eines Atoms?'''
(Im Atomkern)
(!In der äußersten Elektronenschale)
(!Gleichmäßig im gesamten Atom)
(!Zwischen den Elektronen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Welche elektrische Ladung besitzt ein Neutron?'''
(Keine elektrische Ladung)
(!Eine positive Ladung)
(!Eine negative Ladung)
(!Zwei positive Ladungen)

{{E}}
<br>

{{MC}}

'''Was kann mit einem instabilen Atomkern geschehen?'''
(Er kann radioaktiv zerfallen)
(!Er verliert immer alle Elektronen)
(!Er wird automatisch zu einem Molekül)
(!Er vergrößert seine Elektronenhülle dauerhaft)

{{E}}
<br>

{{BR}}
== Memory ==

<div class="memo-quiz">
{|
|-
| Proton || positive Kernladung
|-
| Neutron || ungeladenes Kernteilchen
|-
| Nukleon || Oberbegriff für Kernteilchen
|-
| Ordnungszahl || Anzahl der Protonen
|-
| Massenzahl || Summe aus Protonen und Neutronen
|-
| Isotop || Variante eines chemischen Elements
|-
| Kernkraft || Bindung der Nukleonen
|-
| Nuklid || Atomart mit festgelegtem Kern
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== Drag and Drop ==

<div class="lueckentext-quiz">

{| class="wikitable"
! Ordne die richtigen Begriffe zu.
! Beschreibung
|-
| '''Proton'''
| positiv geladenes Kernteilchen
|-
| '''Neutron'''
| ungeladenes Kernteilchen
|-
| '''Ordnungszahl'''
| Anzahl der Protonen
|-
| '''Massenzahl'''
| Summe aus Protonen und Neutronen
|-
| '''Isotop'''
| gleiche Protonenzahl und andere Neutronenzahl
|-
| '''Atomkern'''
| Zentrum mit fast der gesamten Atommasse

|}
{{E}}

<br>
<br />

{{BR}}
== Kreuzworträtsel ==

<div class="kreuzwort-quiz">
{|
|-
| Proton || Welches positiv geladene Teilchen befindet sich im Atomkern?
|-
| Neutron || Welches ungeladene Teilchen befindet sich im Atomkern?
|-
| Nukleon || Wie lautet der Oberbegriff für Proton und Neutron?
|-
| Isotop || Wie heißt eine Variante eines Elements mit anderer Neutronenzahl?
|-
| Massenzahl || Welche Zahl ist die Summe aus Protonen und Neutronen?
|-
| Rutherford || Welcher Forscher deutete den Streuversuch mit einem kleinen Atomkern?
|}
{{E}}
<br>

{{BR}}
== LearningApps ==

<iframe> https://learningapps.org/index.php?s=Der+Atomkern+Chemie </iframe>

{{BR}}
== Lückentext ==

<quiz display=simple>
{'''Vervollständige den Text.'''<br>
|type="{}"}
Der sehr kleine Mittelpunkt eines Atoms heißt { Atomkern }. Ein positiv geladenes Kernteilchen heißt { Proton }. Ein elektrisch neutrales Kernteilchen heißt { Neutron }. Der Oberbegriff für Protonen und Neutronen lautet { Nukleonen }. Die Anzahl der Protonen wird durch die { Ordnungszahl } angegeben. Die Summe aus Protonen und Neutronen heißt { Massenzahl }. Die Neutronenzahl berechnet man durch Massenzahl minus { Ordnungszahl }. Atome desselben Elements mit verschiedener Neutronenzahl heißen { Isotope }. Fast die gesamte Masse eines Atoms befindet sich im { Atomkern }. Der Streuversuch führte zur Entwicklung des { Kern-Hülle-Modells }. Ein instabiler Kern kann sich durch einen radioaktiven { Zerfall } umwandeln.
</quiz>

<br>

{{BR}}
= Offene Aufgaben =

{{BR}}
=== Leicht ===

# [[Atomkernmodell]]: Baue aus Knete oder Papier ein Modell eines Atomkerns mit unterschiedlich gefärbten Protonen und Neutronen. Beschrifte die Teilchen.
# [[Nuklidschreibweise]]: Erstelle drei Karteikarten zu verschiedenen Nukliden. Notiere Elementsymbol, Ordnungszahl, Massenzahl sowie Protonen- und Neutronenzahl.
# [[Erklärbild]]: Zeichne ein übersichtliches Atom mit Kern und Hülle. Kennzeichne Ladungen und erkläre, welche Größen im Modell nicht maßstabsgetreu sind.
# [[Begriffsnetz]]: Verbinde die Begriffe Atomkern, Proton, Neutron, Nukleon, Ordnungszahl, Massenzahl und Isotop in einer Concept-Map.

{{BR}}
=== Standard ===

# [[Isotope des Wasserstoffs]]: Gestalte ein Lernplakat zu Protium, Deuterium und Tritium. Vergleiche Aufbau, Stabilität und Verwendung.
# [[Rutherfordscher Streuversuch]]: Entwickle ein Storyboard mit sechs Bildern, das Versuchsaufbau, Beobachtung und Schlussfolgerung erklärt.
# [[Periodensystemanalyse]]: Wähle fünf Elemente aus dem Periodensystem und bestimme für jeweils ein Nuklid die Protonen-, Neutronen- und Elektronenzahl.
# [[Atommasse]]: Erkläre an einem selbst gewählten Beispiel, warum die Atommasse im Periodensystem häufig keine ganze Zahl ist.

{{BR}}
=== Schwer ===

# [[Modellkritik]]: Vergleiche Kern-Hülle-Modell, Schalenmodell und Orbitalmodell. Beurteile, welche Fragen jedes Modell beantworten kann und wo seine Grenzen liegen.
# [[Isotopenforschung]]: Recherchiere eine medizinische, archäologische oder ökologische Anwendung von Isotopen. Erstelle dazu einen sachlichen Kurzvortrag mit Quellenangaben.
# [[Nuklidkarte]]: Untersuche einen Ausschnitt einer Nuklidkarte. Formuliere Regeln, nach denen sich stabile und instabile Kerne unterscheiden.
# [[Wissenschaftskommunikation]]: Produziere ein zweiminütiges Erklärvideo zum Thema „Warum ist der Atomkern klein, aber schwer?“. Verwende eigene Grafiken und kennzeichne vereinfachte Darstellungen.

{{:Offene Aufgabe - MOOC erstellen}}

{{BR}}
= Lernkontrolle =

# [[Unbekanntes Nuklid]]: Ein neutrales Atom besitzt 17 Protonen und 18 Neutronen. Bestimme Element, Massenzahl und Elektronenzahl. Begründe jeden Schritt.
# [[Isotopenvergleich]]: Vergleiche Kohlenstoff-12 und Kohlenstoff-14. Erkläre, was gleich bleibt, was sich ändert und welche Folgen dies für die Stabilität haben kann.
# [[Modell und Wirklichkeit]]: Eine Zeichnung zeigt einen Atomkern so groß wie ein Drittel des Atoms. Erkläre, warum die Zeichnung nützlich und zugleich irreführend ist.
# [[Rutherford-Auswertung]]: Begründe, weshalb die geradlinige Bewegung der meisten Alphateilchen und die starke Ablenkung weniger Teilchen gemeinsam zum Kern-Hülle-Modell führen.
# [[Periodensystem und Kern]]: Erkläre, warum zwei Atome mit gleicher Massenzahl nicht unbedingt zum selben Element gehören.
# [[Anwendung von Isotopen]]: Entwickle Kriterien, mit denen eine Isotopenanwendung hinsichtlich Nutzen, Messbarkeit und Sicherheit beurteilt werden kann.

<br>
<br>

{{BR}}
= Lernnachweis =

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

# Protonen, Neutronen und Elektronen nach Ort, Ladung und Masse unterscheiden kannst.
# Ordnungszahl, Massenzahl und Neutronenzahl sicher verwendest.
# die Nuklidschreibweise lesen und auf Beispiele anwenden kannst.
# Isotope als Atome desselben Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl erklärst.
# den Zusammenhang zwischen Protonenzahl und Stellung im Periodensystem herstellst.
# Beobachtungen des Rutherfordschen Streuversuchs fachlich deutest.
# vereinfachte Atommodelle kritisch beurteilst.
# eine Anwendung von Isotopen sachlich erklärst und Sicherheitsaspekte berücksichtigst.

<br>
<br>

{{BR}}
= OERs zum Thema =

<iframe> https://de.m.wikipedia.org/wiki/Atomkern </iframe>

<br>

{{BR}}
= Verknüpfte Lernbereiche =

{| align=center
{{:D-Tab}}
'''[[Der Atomkern - Chemie]]'''
# [[Atombau]]
# [[Proton]]
# [[Neutron]]
# [[Nukleon]]
# [[Ordnungszahl]]
# [[Massenzahl]]
# [[Isotop]]
# [[Nuklid]]
# [[Periodensystem]]
# [[Rutherfordscher Streuversuch]]
# [[Radioaktivität]]
|}

[[Kategorie:Chemie]]
[[Kategorie:Physik]]
[[Kategorie:Atombau]]
[[Kategorie:Atomkern]]
[[Kategorie:Isotope]]
[[Kategorie:Periodensystem]]
[[Kategorie:Klasse 8-10]]

{{BR}}
= aiMOOC-Projekte =
[[Kategorie:AI_MOOC]] [[Kategorie:GPT aiMOOC]]
{{MT}}

Der Atomkern - Chemie - Versionsgeschichte

Glanz: aiMOOC über GPT aiMOOC Action erstellt